Define-se interoperabilidade como sendo a capacidade de sistemas computacionais operarem e cooperarem mesmo na presença de diferentes representações de dados e protocolos de comunicação (CAFEZEIRO, 2008). Segundo Lichun Wang (2005), interoperabilidade determina se dois componentes de um sistema, desenvolvidos com ferramentas diferentes, de fornecedores diferentes, podem ou não atuar em conjunto. Para BISHR (1997), interoperabilidade é a capacidade que um sistema possui de compartilhar e trocar informações em aplicações.
Segundo Lichun Wang (2008), interoperabilidade é a habilidade de dois ou mais sistemas (computadores, meios de comunicação, redes, software e outros componentes de tecnologia da informação) de interagir e de intercambiar dados de acordo com um método definido, de forma a obter os resultados esperados.
A interoperabilidade de tecnologia, processos, informação e dados é condição vital para o provimento de serviços de qualidade. A interoperabilidade entre os mais variados sistemas autônomos permite operar em colaboração, aumentando a produtividade e reunindo esforços, rumo ao objetivo da qualidade total nas organizações. Além disso, ela oferece condições de racionalizar investimentos em Tecnologia da Informação, por meio do compartilhamento, reuso e intercâmbio de recursos tecnológicos (CUNHA, 2005).
A interoperabilidade, que já chamava atenção dos profissionais da computação, passou a representar um ponto crucial após o advento da internet, que acelerou o intercâmbio de informações e eliminou fronteiras antes intransponíveis (CAFEZEIRO, 2008). Os problemas atuais da informática e do uso da Internet são muito mais uma consequência de uma evolução extremamente rápida, e por isso não ordenada, do que de uma falta de tecnologia para resolvê-los.
Nas últimas décadas ocorreu um desenvolvimento sem precedentes dos sistemas de informação. Esta grande evolução levou pouquíssimo tempo e, por isso, não pôde ser planejada em seus detalhes. Ela foi ocorrendo na medida em que as empresas e as pessoas se adaptavam à nova realidade (CAMPOS, 2006).
Diante destas evoluções, o desenvolvimento de sistemas se tornou uma encruzilhada tecnológica. Dispomos de uma infraestrutura nunca antes imaginada, mas ainda não dispomos de sistemas que utilizem todo este potencial. Sistemas que se possa integrar com outros que já foram desenvolvidos utilizando produtos tecnológicos distintos, plataformas e arquiteturas até então incompatíveis (CAMPOS, 2006).
Para que as informações disponíveis sejam utilizadas pelos diferentes sistemas é necessário, em um primeiro momento, que estas sejam localizadas, acessadas e processadas por tais sistemas. Em um segundo momento, devido à sua heterogeneidade estrutural e semântica, a compatibilidade de seu conteúdo deve ser realizada (MOREIRA, 2003). Para auxiliar a satisfazer essas necessidades, com um esforço computacional reduzido, acredita-se que uma possível solução seja o uso de padrões e convenções (BURANARACH, 2001). Para que um sistema seja considerado interoperável é muito importante que ele trabalhe com padrões abertos. Seja um sistema de portal, seja um sistema educacional ou ainda um sistema de e-commerce.
Interoperabilidade não é somente integração de sistemas nem somente integração de redes. Não referencia unicamente troca de dados entre sistemas e não contempla simplesmente definição de tecnologia. É, na verdade, a soma de todos esses fatores, considerando também a existência de um legado de sistemas e plataformas de hardware e software instalados. Parte de princípios que tratam da diversidade de componentes, com a utilização de produtos diversos de fornecedores distintos. Tem por meta a consideração de todos os fatores para que os sistemas possam atuar cooperativamente, fixando as normas, as políticas e os padrões necessários para consecução desses objetivos (SILVA, 2005).
Soluções tradicionais com arquitetura em camadas, dadas para tentar garantir a compatibilidade de informações, são conhecidas na área de banco de dados como, por exemplo, soluções que fazem uso de mediadores e conversores. No entanto, essas soluções funcionam bem apenas em um universo onde existam os mesmos tipos de estruturas para o armazenamento de informações e estas sejam previamente conhecidas (FELÍCISSIMO, 2004).
Por exemplo, quando uma empresa precisa realizar negócios eletronicamente com outras empresas ou com a administração pública, a complexidade aumenta em razão da
necessidade de integração de sistemas de software, onde ocorre a troca de diferentes tipos de informação. Esse problema é denominado “barreira de interoperabilidade”, que consiste na dificuldade da empresa em prover informação num formato inteligível aos seus parceiros (ARMS, 2002).
Uma forma de solucionar esse problema é realizar o mapeamento baseado na semântica. Por exemplo, conceitos como "Rua", "Bairro", "Cidade" podem compor um ativo semântico, e serem agrupados numa entidade semântica denominada “Endereço”, a qual é associada ao conceito, bem definido, endereço. O processo de mapeamento é baseado em ontologias, que são usadas para definir e ligar os ativos semânticos. A ligação com a sintaxe original é realizada de forma transparente ao usuário. Se as empresas adotarem a mesma ontologia como referência, o processo de mapeamento pode ser realizado de forma mais natural, baseado no significado dos conceitos. Essa técnica faz parte da solução denominada interoperabilidade semântica, onde os ativos semânticos e mapeamentos podem ser reusados e compartilhados (ARMS, 2002).
Entende-se por interoperabilidade semântica a capacidade de dois ou mais sistemas heterogêneos e distribuídos trabalharem em conjunto, compartilhando as informações entre eles com entendimento comum de seu significado. É o significado ou semântica das informações de diferentes origens, é solucionada através de ferramentas comuns de representação da informação, como classificação e ontologias (BURANARACH, 2011).
A interoperabilidade semântica pode ser entendida como a capacidade de um sistema se comunicar com outros sistemas, compartilhando dados ou invocando processos comuns, independentes de sua plataforma, arquitetura, linguagem de programação ou sistema operacional (GALUPPO, 2004).
Alcançar a interoperabilidade semântica significa solucionar o problema da heterogeneidade semântica, que é um dos maiores desafios encontrados na tarefa de construir a integração de sistemas de informação. Basicamente, esta dificuldade se deve ao fato de que mudanças de significado ocorrem, tanto internamente a um contexto no decorrer do tempo, como por alterações de contexto em diferentes domínios, e consequentemente resultam em diferentes modelos de informação. Isto conduz a vários tipos de incompatibilidades, tais como estrutural, de representação e conceitual (ARMS, 2002).
A interoperabilidade entre os sistemas de informação implica em sua habilidade de trocar e utilizar os dados de forma correta e eficiente. A prática da interoperabilidade semântica envolve o uso de técnicas de integração de informações, cujo foco não é somente a
entrega da informação pela simples troca de mensagens. Ela abrange também o significado da informação, tanto no contexto do remetente (ou provedor), quanto do destinatário (ou consumidor) da mensagem (BAIRD, 2007).
Além disso, é importante considerar o uso da informação no contexto das aplicações que realizam transformações nos dados e retransmitem a informação logo em seguida (PAPAZOGLOU e RIBBERS, 2006). Assim, a interoperabilidade semântica levanta questões relacionadas não só à criação, formatação e representação da informação, mas também a como essa informação é interpretada e utilizada pelas diferentes entidades que cooperam entre si.
Para um exemplo simples de falta de interoperabilidade semântica vamos considerar o termo tanque. Em um sistema de informação usado em um contexto militar, geralmente se refere a um tipo de veículo blindado. Em um sistema de informação usado para armazenar informações sobre equipamentos zoológicos, o termo tanque se refere a um tipo de recipiente que pode armazenar água e servir de habitat para peixes. Agora, supomos que tanto o sistema de informação sobre veículos blindados e o sistema de informação sobre equipamentos zoológicos são usados em uma base militar e que a informação dos dois sistemas estão a interagir com um sistema de gestão de base em toda a instalação. Neste caso, a interpretação do termo tanque não é tão obvia (MARK, 1999).
O uso de ontologias é uma das possibilidades mais promissoras para garantir a interoperabilidade semântica de aplicações Web. Isto porque é a convenção adotada para expressar as informações explícitas e implícitas destas aplicações de forma estruturada, além de fornecer um vocabulário comum com uma semântica bem definida (FELICÍSSIMO, 2004). Para que informações oriundas de ontologias diferentes sejam utilizadas, é necessário prever mecanismos eficientes, capazes de suportar os diversos níveis de interoperabilidade (FELICÍSSIMO, 2004). Os diferentes níveis são vistos a seguir:
a) Nível 0: sistemas não interoperam.
b) Nível 1: nível de interoperabilidade técnica. Existe um protocolo de comunicação para troca de dados entre os sistemas participantes.
c) Nível 2: o nível de interoperabilidade sintática apresenta uma estrutura comum para troca de informações, ou seja, um formato comum de dados é aplicado. A este nível, um protocolo comum para a estrutura de dados é utilizado e o formato do intercâmbio de informações é claramente definido.
d) Nível 3: se um modelo comum de informação de referência é usado, o nível de interoperabilidade semântica é alcançado. Neste nível, o significado dos dados é compartilhado e os conteúdos dos pedidos de troca de informações estão claramente definidos.
e) Nível 4: a interoperabilidade é alcançada quando os sistemas interoperáveis estão cientes dos métodos e procedimentos que cada sistema está empregando. Em outras palavras, o uso dos dados, ou o contexto de sua aplicação, é entendida pelos sistemas participantes; o contexto no qual a informação é trocada é claramente definido.
f) Nível 5: o modelo conceitual e as restrições estão alinhados, o mais elevado nível de interoperabilidade é alcançado: a interoperabilidade conceitual. Isso exige que os modelos conceituais sejam documentados com base em métodos de engenharia que permitam a sua interpretação e avaliação por outros engenheiros. Ou seja, isso requer uma documentação completa para registro dos dados.
Os principais paradigmas utilizados para modelar os mapeamentos entre o esquema integrado e a fonte de dados são GaV e LaV.
Na abordagem GaV (Global as View), regras definem as relações do esquema mediado em função dos esquemas de origem, e assim as consultas vêem as fontes de dados como um todo (BUSSE et.al, 1999). Ou seja, um esquema global deve ser expresso em termos das fontes de dados. Cada elemento do esquema global é associado com uma visão (consulta) sobre as fontes de dados. As consultas relacionam um elemento do esquema global para uma consulta no esquema local (FAGIN et.al, 2005).
Na abordagem inversa, conhecida como LaV (Local as View), as relações das fontes de dados são definidas como expressões sobre as relações do sistema mediado, de maneira independente das fontes de dados, ou seja, as consultas veem os esquemas locais (BUSSE et.al, 1999). Segundo Fagin (2005), as consultas relacionam um elemento do esquema local com uma consulta sobre o esquema global. Isso facilita a inserção de novas fontes de dados ou a alteração das existentes.
A abordagem LaV permite que cada fonte de dados seja modelada de maneira independente. Novas fontes podem ser adicionadas ou modificadas sem ter que alterar o modelo integrado (AMBITE e.t al, 2001). Porém, o esquema integrado deve conter todos os atributos compartilhados por múltiplas relações, a não ser que estes não sejam do interesse da
aplicação de integração (FRIEDMAN et.al, 1999). Outra desvantagem é que a reformulação de consultas é complexa.
A abordagem GaV permite que as fontes requisitadas para prover os dados para uma específica classe de informação possam ser determinadas simplesmente buscando na definição do domínio da classe (AMBITE et. al, 2001). A grande desvantagem é a dificuldade de construir e manter o modelo integrado. As relações do esquema mediado devem conter todas as relações presentes nas fontes de dados, ou então consultas conjuntivas sobre elas (FRIEDMAN et.al,1999), ou seja, consultas que correspondam a elementos de pelo menos uma das fontes. Como o sistema é dependente dos esquemas, alterações nos esquemas reais tornam complexa a manutenção dos mapeamentos entre o esquema global e os esquemas reais.
O paradigma GLaV (Global and Local as View), proposto em Friedman (1999), combina o poder de expressão dos paradigmas acima, permitindo definições de esquemas mais flexíveis e independentes de detalhes particulares das fontes de dados. Outra proposta híbrida é exibida por Ambite et al. (2001). Segundo os autores, “combina a flexibilidade do paradigma LaV com a eficiência em tempo de execução do processamento de consulta do GaV”. Para Gardarin (2004), “LaV é mais apropriado para combinar uma dada ontologia a um dado domínio, enquanto GaV é mais fácil onde os esquemas já existem”.
Na tabela 2 pode ser visualizado um comparativo entre os modelos GaV e LaV (AMBITE et.al, 2001).
Tabela 2 – Comparativo entre modelos GaV e LaV.
Fonte: Adaptado de Ambite (2001).
GaV LaV
Qualidade do modelo integrado depende da forma como as fontes são compiladas para formar o esquema global
Qualidade do modelo integrado depende de qual bem os mapeamentos para as fontes são especificados
Se uma fonte muda ou uma nova é adicionada, o esquema global precisa ser refeito
Modelo é modular e extensível Processamento de consultas é desdobrado
(reformulação de consultas é fácil)
Processamento de consulta precisa de inferência (reformulação de consultas mais complexa)
Para Arms (2002), o objetivo da interoperabilidade é desenvolver serviços coerentes para os usuários, a partir de recursos informacionais que são tecnicamente
diferentes e gerenciados por diferentes organizações. Isto requer acordos de cooperação em três níveis:
a) Técnico: proporciona a interoperabilidade tecnológica, onde há o intercâmbio coerente de informações e serviços entre sistemas.
b) Conteúdo: remete a interoperabilidade semântica, onde a representação e organização do conhecimento são as áreas chaves a serem estudadas. c) Organizacional: refere-se à interoperabilidade política, quando
organizações se reúnem com o intuito de alcançar a interoperabilidade, implementando padrões e tecnologias que cooperem com este objetivo.
Podem-se aplicar diversos mecanismos para realizar a interoperabilidade de ontologias. Segundo Maedche et al. (2002), são apontadas quatro abordagens distintas com esse propósito:
a) Combinação: tem-se como resultado a versão das ontologias originais combinadas em uma ontologia única, com todos seus termos juntos e sem a definição clara de suas origens. Normalmente as ontologias originais descrevem domínios similares ou de sobreposição. No exemplo da figura 9 têm-se duas ontologias “O1” e “O2”, onde seus conceitos são combinados gerando uma ontologia “O”, com os conceitos carro da ontologia “O1” e veículo da ontologia “O2” representados.
Figura 9 – Combinação de Ontologias.
Fonte: Adaptado de MAEDCHE (2002).
b) Alinhamento: tem-se como resultado as duas ontologias originais separadas, mas a estas são adicionadas ligações entre seus termos equivalentes. Estas ligações permitem que as ontologias alinhadas
reusem informações umas das outras. O alinhamento normalmente é realizado quando as ontologias são de domínios complementares. No exemplo da figura 10 têm-se duas ontologias “O1” e “O2”, onde seus conceitos são alinhados gerando duas ontologias, uma com informações do conceito carro de “O1” alinhado ao conceito veículo de “O2” e outra com o conceito veículo de “O2” alinhado com o conceito de carro de “O1”.
Figura 10 – Alinhamento de Ontologias.
Fonte: Adaptado de MAEDCHE (2002).
c) Mapeamento de ontologias: tem-se como resultado uma estrutura formal com expressões que ligam os termos de uma ontologia aos termos de outra ontologia. Este mapeamento pode ser usado para transferir instâncias de dados, esquemas de integração e de combinação e outras tarefas similares. No exemplo da figura 11 têm-se duas ontologias “O1” e “O2”, onde seus conceitos são mapeados gerando um arquivo com as informações do mapeamento realizado entre os conceitos carro de “O1” e o conceito veículo de “O2”. Nas ontologias “O3” e “O4” têm-se as respectivas instâncias destes conceitos, sendo que as instâncias do conceito carro da ontologia “O1” serão transferidas (copiadas) como instâncias conceito veículo da ontologia “O2”, fazendo uso das informações de mapeamento geradas.
Figura 11 – Mapeamento de Ontologias.
Fonte: Adaptado de MAEDCHE (2002).
d) Integração: é realizado na construção das ontologias utilizando o processo de combinação de várias ontologias, tendo como resultado final uma única ontologia que representa todas que sofreram a fusão. No exemplo da figura 12, têm-se duas ontologias, cujos conceitos são integrados gerando uma ontologia “O”, onde os conceitos de carro de “O1” e veículo de “O2” são representados com a indicação de suas origens.
Figura 12 – Integração de Ontologias.
2.4 MAPEAMENTO DE ONTOLOGIAS COMO ESTRATÉGIA DE